[发明专利]基于时空频多域信息的相位控制系统及方法

说明书

基于时空频多域信息的相位控制系统及方法，包括激光相干阵列模块，对N束子激光进行相干合成，输出阵列激光；参考激光模块，生成参考激光；时空频多域信息采集模块，利用光电探测器采集激光相干阵列模块输出的小部分阵列激光作为探测激光，获取探测激光其时域信号；利用高速相机采集探测激光与参考激光模块输出的参考激光的干涉条纹图像即空域信号；时空频多域控制模块，确定当前的相位控制方式，基于当前的相位控制方式产生激光相干阵列模块中各路子激光对应的相位控制信号并施加到对应的相位调制器上，实现相位闭环控制。采用时、空、频多域信息对激光阵列进行闭环控制，发挥每个维度信息的最大优势，提升系统的控制带宽与控制效果。

技术领域

本发明涉及强激光技术领域，特别是涉及一种基于时空频多域信息的相位控制系统及方法。

背景技术

在未来，粒子加速器、新型高能激光系统构建、量子前沿探索等国际前沿科学领域和重大应用需求牵引下，追求更高亮度的高性能光源作为激光技术发展脉络中的一个重要分支，成为当前的国际前沿研究热点和难点。

目前，国际上正在大力发展基于光纤激光相干合成技术的大型光束集成计划，具有代表性的有：美国航天局与欧洲空间局面向下一代粒子加速器相继推出ICAN、XCAN计划，欧洲研究委员会支持的先进光子光源(ACOPS)研究计划，美国国防先期研究计划局(DAPRA)面向高能激光系统构建相继推出的APPLE计划、亚瑟神剑(Excalibur)计划等。在上述计划推动下，如何高效的实现数以万计超大阵元大功率相干合成系统中各路光束之间的相位同步和高效相干成为急需解决的迫切难题。

经过近十年的发展，针对相位控制技术，研究人员相继分别从时域提出了外差法、-Couillaud探测法、干涉条纹提取法、随机并行梯度随机下降(SPGD)算法、多频抖动算法、单频抖动算法、智能控制算法等。就目前发展现状而言，当单路合成光源功率较低时，现有相位控制方法的控制能力已达百路以上。然而，目前的上述相位控制方法均从单一光场信息中提取控制信号，当单路合成光源功率达千瓦以上甚至数千瓦时，随着应用环境的复杂化，锁相控制系统的残差将会显著增强，无法实现高精度的相位控制。

发明内容

针对现有技术所存在的局限与不足，本发明提供一种基于时空频多域信息的相位控制系统及方法，旨在解决数以万计超大阵元大功率相干合成系统的高精度相位控制难题。

为实现本发明之目的，采用以下技术方案予以实现：

一方面，本发明提供的基于时空频多域信息的相位控制系统，包括：

激光相干阵列模块，对N束子激光进行相干合成，输出阵列激光，并通过各路子激光传输路径上的相位调制器控制各路子激光的相位，其中N为整数且N≥2；

参考激光模块，生成参考激光；

时空频多域信息采集模块，利用光电探测器采集激光相干阵列模块输出的小部分阵列激光作为探测激光，获取探测激光其时域信号；利用高速相机采集探测激光与参考激光模块输出的参考激光的干涉条纹图像即空域信号；

时空频多域控制模块，确定当前的相位控制方式，所述相位控制方式包括基于时域信号的闭环相位控制方式、基于频域信号的闭环相位控制方式和基于空域信号的闭环相位控制方式中的一种或两种以上的组合；基于当前的相位控制方式产生激光相干阵列模块中各路子激光的相位控制信号并施加到对应的相位调制器上，实现相位闭环控制。

优选地，本发明所述N束子激光以及参考激光均来自于种子激光器。具体地，基于时空频多域信息的相位控制系统还包括种子激光器和第一分束器，种子激光器用于输出种子激光，第一分束器用于将种子激光分为两束，其中一束输入到激光相干阵列模块，由激光相干阵列模块中的第二分束器分为N束子激光，另一束输入到参考激光模块。

优选地，所述参考激光模块包括一个可调增益光纤放大器和一个可调焦距光纤准直器，输入到参考激光模块中的激光先后通过可调增益光纤放大器和可调焦距光纤准直器输出。